• 嵌入式操作系統(tǒng)uC/OS-II在電能計(jì)量電表中的應(yīng)用研究
    控制工程

    [摘要]:目前嵌入式系統(tǒng)正在不斷地向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展,在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中采用嵌入式操作系統(tǒng)已成為當(dāng)前嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中的一個(gè)發(fā)展方向。本文以開發(fā)電能計(jì)量電表中應(yīng)用C/OS-II為實(shí)例,介紹了將實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)C/OS-II移植到目標(biāo)系統(tǒng)中的方法,分析和研究了在單片機(jī)系統(tǒng)中使用嵌入式操作系統(tǒng)的有關(guān)問題。 

    [關(guān)鍵詞]:嵌入式操作系統(tǒng); mC/OS-II; 內(nèi)核; 實(shí)時(shí)性; 電能計(jì)量電表 

    1 引言

           隨著后PC時(shí)代和網(wǎng)絡(luò)以及通信技術(shù)時(shí)代的到來,嵌入式操作系統(tǒng)在通信、電子、自動(dòng)化等領(lǐng)域受已經(jīng)到了越來越多的關(guān)注。因?yàn)橐粋€(gè)好的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)能夠提高產(chǎn)品的研制效率,縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期,所以許多生產(chǎn)廠家正在紛紛考慮采用嵌入式操作系統(tǒng)技術(shù)來開發(fā)自己的產(chǎn)品。

           實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)的種類繁多,大體可分為兩種——商用型及免費(fèi)型。商用型的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)功能穩(wěn)定、可靠、有完善技術(shù)支持及售后服務(wù),但其昂貴價(jià)格限制了它在為數(shù)眾多的低端低成本的場(chǎng)合的應(yīng)用。并且對(duì)這些場(chǎng)合來講,一個(gè)包含網(wǎng)絡(luò)協(xié)議核、文件管理,內(nèi)存管理的操作系統(tǒng)實(shí)在顯得過于龐大了。它們需要的僅僅是一個(gè)穩(wěn)定的包含任務(wù)管理及進(jìn)程調(diào)度的實(shí)時(shí)內(nèi)核,對(duì)一個(gè) 8位或16位單片機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合,一個(gè)代碼長(zhǎng)度不超過10KB,占用系統(tǒng)資源不超過10%象mC/OS-II這樣的實(shí)時(shí)內(nèi)核是非常適合的。

    2 mC/OS-II 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

        mC/OS-II 是由Labrose先生編寫的開放式內(nèi)核,具有源碼公開,可移植、可固化、可裁剪,穩(wěn)定性及可靠性高的特點(diǎn)。其內(nèi)核提供任務(wù)調(diào)度與管理、時(shí)間管理任務(wù)同步與通信、內(nèi)存管理及中斷服務(wù)等功能,支持64用戶服務(wù)。90%的代碼函數(shù)用標(biāo)準(zhǔn)的ANSI C語言書寫,程序可讀性強(qiáng)、移植性好。適合于小型控制系統(tǒng),具有執(zhí)行效率高,占用空間小,實(shí)時(shí)性能優(yōu)良,可擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn),加之它穩(wěn)定、可靠,現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用在航空、醫(yī)療器械、工業(yè)控制等領(lǐng)域,被證明是一個(gè)成熟穩(wěn)定的實(shí)時(shí)內(nèi)核。
       
    3 在AT89C51上運(yùn)行mC/OS-II

        要使用mC/OS-II,首先就必須把這個(gè)內(nèi)核成功地移植到使用的CPU上去。下面就給出在電能計(jì)量電表所用的AT89C51上移植mC/OS-II過程。mC/OS-II移植的軟件部分要完成以下工作。

    3.1 與編譯器有關(guān)的代碼

        在不同的處理器中有不同的字長(zhǎng),所以必須定義一系列數(shù)據(jù)類型以確保移植的正確性。在C/OS-II中,不使用C的char、int和long等數(shù)據(jù)類型,這些都是和編譯器相關(guān)的,在AT89C51處理器中,各種數(shù)據(jù)類型定義如下:
    typedef unsigned char BOOLEAN;
    typedef unsigned char  INT8U;
    typedef signed char INT8S;
    typedef unsigned int INT16U;
    typedf signed int INT16S;
    typedef unsigned long INT32U;
    typedef signed long INT32S;
    typedef float FP32;
    typedef double FP64;
    typedef unsigned char OS_STK;

    mC/OS-II需要先禁止中斷訪問代碼的臨界區(qū),并且在訪問完畢后重新允許中斷。mC/OS-II定義了兩個(gè)宏OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()來禁止和允許中斷。實(shí)現(xiàn)方法如下:
    #define OS_ENTER_CRITICAL()  EA = 0
    #define OS_EXIT_CRITICAL()   EA = 1
    #define OS_STK_GROWTH  0
    #define OS_TASK_SWO  0SCtxSW()

    3.2  4個(gè)匯編語言函數(shù)
           這部分需要對(duì)處理器的寄存器進(jìn)行操作,所以必須用匯編語言來編寫。mC/OS-II的移植要求用戶編寫4個(gè)簡(jiǎn)單的匯編語言函數(shù):OSStarHighRdy(),OSCtxSw(),OSIntCtxSw(),OSTickISR()。

           OSStarHighRdy()在多任務(wù)系統(tǒng)啟動(dòng)函數(shù)OSStar()中調(diào)用。主要功能是將就緒表中最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的棧指針加載到SP中,并強(qiáng)制中斷返回。這樣就緒的最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)就如同從中斷處理返回到運(yùn)行態(tài)一樣,使得整個(gè)系統(tǒng)得以運(yùn)轉(zhuǎn)。

           OSCtxSw()在任務(wù)級(jí)任務(wù)切換函數(shù)中調(diào)用。任務(wù)級(jí)的切換問題是通過發(fā)軟中斷命令或依靠處理器執(zhí)行陷阱指令來完成的。由于AT89C51沒有軟中斷命令或依靠處理器執(zhí)行陷阱指令,所以用OS_TASK_SW()直接調(diào)用OSCtxSw()來完成。

           OSIntCtxSw()通過調(diào)用OSIntCtxSw()來從ISR中執(zhí)行切換功能。具體完成任務(wù)是調(diào)整堆棧指針,保存當(dāng)前任務(wù)的SP,載入就緒最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的SP,恢復(fù)就緒最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的環(huán)境變量,中斷返回,從而完成中斷級(jí)任務(wù)切換。

          OSTickISR()是系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍中斷服務(wù)函數(shù)。這是一個(gè)周期性中斷,為內(nèi)核提供時(shí)鐘節(jié)拍,頻率越高系統(tǒng)負(fù)荷越重。此外還要編寫6個(gè)與操作系統(tǒng)有關(guān)的函數(shù),有關(guān)這些函數(shù)具體功能更詳細(xì)的闡述,請(qǐng)參考文獻(xiàn)[1][2]。做完以上工作后,mC/OS-II就可以運(yùn)行了。

    4 在電能計(jì)量電度表中應(yīng)用mC/OS-II

    4.1 電能計(jì)量電度表的功能與任務(wù)分配

           電能計(jì)量電度表是為了方便供電局進(jìn)行用量管理,同時(shí)也為了使用戶合理用電而進(jìn)行“尖、峰、平、谷”不同時(shí)段分別計(jì)費(fèi)的智能儀器。圖1是電能計(jì)量電度表結(jié)構(gòu)原理圖。該系統(tǒng)主要由兩個(gè)部分構(gòu)成,一是電能計(jì)量芯片AD7755,二是數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、顯示和報(bào)警系統(tǒng)。

     


    圖1 電能計(jì)量電度表結(jié)構(gòu)原理圖

           根據(jù)電能計(jì)量電度表的工作原理,結(jié)合mC/OS-II可以把電能計(jì)量?jī)x器的軟件結(jié)構(gòu)劃分為下述幾個(gè)任務(wù):

        (1)RS-485口命令讀取。串口命令是從上位PC主機(jī)或紅外線抄表儀器發(fā)送到電能計(jì)量?jī)x器的數(shù)據(jù)讀取或設(shè)置命令。這些命令必須為串口完全接收,不允許電能計(jì)量表在接收命令時(shí)發(fā)生數(shù)據(jù)丟失。實(shí)時(shí)要求很高。

        (2)1s將保存在RAM中的當(dāng)前用電量存儲(chǔ)到EEPROM。以防止單片機(jī)失電時(shí)電量計(jì)量丟失,實(shí)時(shí)要求高。

        (3)100ms完成一次時(shí)鐘芯片實(shí)時(shí)鐘讀取,以便更新當(dāng)前的年、月、日、時(shí)、分秒。每100ms進(jìn)行一次,或接收上位機(jī)廣播校時(shí)時(shí)鐘芯片,實(shí)時(shí)要求很高。

        (4)溫度芯片數(shù)值的讀取和存儲(chǔ)每300ms進(jìn)行一次,實(shí)時(shí)要求較高。

        (5)RS-485或紅外線抄表儀器口數(shù)據(jù)回送,電能計(jì)量電表接收到上位機(jī)命令后,完成指定操作,并將處理結(jié)果送回上位機(jī)或紅外線抄表儀器,實(shí)時(shí)要求低。

        (6)液晶顯示內(nèi)容每3s更新一次,液晶每3s更新顯示數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)要求很低。

        (7)如果5min內(nèi)沒有按鍵操作,則關(guān)閉液晶顯示以降低功耗。實(shí)時(shí)要求很低。

          上面將實(shí)現(xiàn)的功能劃分為7個(gè)任務(wù),并對(duì)這些任務(wù)的實(shí)時(shí)要求作了分析。在實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)中,任務(wù)的的實(shí)時(shí)要求越高,對(duì)應(yīng)的優(yōu)先級(jí)就應(yīng)該越高。另外,需要增加一個(gè)最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)來提供準(zhǔn)確的100ms事件流,上述任務(wù)劃分如表1所示。


    表1 任務(wù)劃分表

    4.2 基于mC/OS-II的中斷處理
           在mC/OS-II中,中斷處理也非常重要的,電能計(jì)量電表的中斷源及各種中斷用途以及優(yōu)先級(jí)如表2所示。
    表2  電能計(jì)量電表的中斷


           雖然mC/OS-II允許使用多個(gè)中斷,并允許多層中斷嵌套,但為了減少中斷處理時(shí)間,提高系統(tǒng)響應(yīng)速度,中斷處理程序或發(fā)出信號(hào)燈,通知相應(yīng)的任務(wù)去處理。或進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理,中斷處理的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單,處理時(shí)間也很短,所以極少會(huì)出現(xiàn)多層中斷嵌套的情況。

          在完成任務(wù)劃分后,還需要考慮任務(wù)的通信,在初始化mC/OS-II時(shí)創(chuàng)建了以下信號(hào)燈和消息郵箱用于任務(wù)間通信:

        (1)串口命令信號(hào)燈SemCmd。該信號(hào)燈由串口接收緩沖區(qū)滿中斷處理程序發(fā)出,由任務(wù)2(RS-485或紅外抄表儀器命令讀取)接收。表示上位機(jī)已經(jīng)有命令通過串口發(fā)送過來。

        (2)時(shí)鐘芯片讀取或校準(zhǔn)消息郵箱Mbox。該消息由任務(wù)1或任務(wù)2發(fā)出,由任務(wù)3(100ms一次系統(tǒng)時(shí)間校正或廣播校時(shí)時(shí)鐘芯片)接收。

        (3)電量存儲(chǔ)信號(hào)燈Sem1s。該信號(hào)燈由任務(wù)3發(fā)出,由任務(wù)4接收。以1s為周期存儲(chǔ)當(dāng)前電量到EEPROM。

        (4)溫度數(shù)值的讀取信號(hào)燈Sem300ms。該信號(hào)燈由任務(wù)3發(fā)出,由任務(wù)5接收。以300ms為周期發(fā)出,通知任務(wù)5存儲(chǔ)溫度。

        (5)顯示更新信號(hào)燈Sem5s。該信號(hào)燈由任務(wù)3發(fā)出,由任務(wù)7(3s一次液晶顯示內(nèi)容更新)接收,以3s為周期發(fā)出,通知任務(wù)7刷新液晶顯示。

        (6)液晶自動(dòng)關(guān)閉信號(hào)燈Sem5min。該信號(hào)燈由任務(wù)3發(fā)出,由任務(wù)8(5min液晶自動(dòng)關(guān)閉)接收,以5min為周期發(fā)出,通知任務(wù)8。如果過去5min內(nèi)沒有按鍵,則關(guān)閉液晶顯示。

        (7)串口命令緩沖區(qū)滿信號(hào)燈SemCmdProc。該信號(hào)燈由任務(wù)2(RS-485口命令讀取)發(fā)出,由任務(wù)6(RS-485或紅外抄表儀器口數(shù)據(jù)回送)接收。用于向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。

        每個(gè)任務(wù)都沒有被刪除,其軟件流程如圖2所示:            
        初始化消息郵箱, 信號(hào)燈     

              
       
    5 結(jié) 語

           目前我們開發(fā)的這個(gè)基于mC/OS-II內(nèi)核的電能計(jì)量電表應(yīng)用系統(tǒng)在系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)速度、軟件設(shè)計(jì)的模塊化問題、系統(tǒng)的抗干擾能力等方面都解決得比較好。已經(jīng)在實(shí)際中投入運(yùn)行,獲得了比較好的效果。




     
     
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